Glasfertigung revolutioniert: Laser-basierte volumetrische additive Fertigung ermöglicht präzises 3D-Drucken von Siliciumdioxid-Glas

Traditionelle Glasherstellungstechniken sind kostspielig und langsam, und 3D-Druck von Glas führt oft zu rauen Oberflächen, was sie für glatte Linsen ungeeignet macht. Mit einem neuen laserbasierten Volumetric Additive Manufacturing (VAM) Ansatz – einer aufstrebenden Technologie im Near-Instant-3D-Druck – haben Forschende des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und der University of California, Berkeley, die Fähigkeit demonstriert, mikroskopische Objekte in Siliciumdioxid-Glas zu 3D-drucken, als Teil eines Bestrebens, empfindliche, schichtlose Optiken zu produzieren, die in Sekunden oder Minuten gebaut werden können.

Spitznamed „The Replicator“ nach dem fiktiven Gerät in „Star Trek“, das nahezu jeden Gegenstand instantan fertigen kann, wurde die Computed Axial Lithography (CAL) Technologie von LLNL und UC Berkeley von Computertomographie (CT) Bildgebungsverfahren inspiriert. CAL funktioniert, indem Projektionen aus vielen Winkeln durch ein digitales Modell eines Zielobjekts berechnet, diese Projektionen computergestützt optimiert und dann in ein rotierendes Volumen photosensiblen Harzes mittels eines digitalen Lichtprojektors eingestrahlt werden. Über die Zeit bauen die projizierten Lichtmuster eine 3D-Lichtdosisverteilung im Material auf, härten das Objekt an Punkten, die einen Lichtschwellenwert überschreiten, während der Harzbehälter rotiert. Das vollständig geformte Objekt materialisiert sich in wenigen Sekunden – weit schneller als traditionelle Schicht-für-Schicht-3D-Drucktechniken – und dann wird der Behälter entleert, um das Teil zu entnehmen.

Mikro-CAL mit Nanokomposit-Glasharz

Durch Kombination einer neuen mikroskaligen VAM-Technik namens micro-CAL, die einen Laser statt einer LED-Quelle nutzt, mit einem Nanokomposit-Glasharz, entwickelt von der deutschen Firma Glassomer und der Universität Freiburg, berichteten UC-Berkeley-Forschende die Produktion stabiler, komplexer Mikrostruktur-Glasobjekte mit einer Oberflächenrauheit von nur sechs Nanometern und Merkmalen bis zu einem Minimum von 50 Mikrometern.

UC Berkeley Associate Professor of Mechanical Engineering Hayden Taylor, der Principal Investigator des Projekts, sagte, der micro-CAL-Prozess, der eine höhere Lichtdosis erzeugt und 3D-Objekte schneller und mit höherer Auflösung härtet, kombiniert mit den im LLNL charakterisierten Nanokomposit-Harzen, erwies sich als „perfekte Ergänzung zueinander“, was „auffällige Ergebnisse in der Festigkeit der gedruckten Objekte“ erzeugte.

Überlegene Bruchfestigkeit

Das Team verglich die Bruchfestigkeit von mit micro-CAL gefertigtem Glas mit Objekten gleicher Größe, die mit einem konventionelleren schichtbasierten Druckverfahren hergestellt wurden. Die Bruchlasten der CAL-gedruckten Strukturen waren enger gruppiert, was bedeutet, dass Forschende mehr Vertrauen in die Bruchlast von CAL-gedruckten Komponenten haben können als bei konventionellen Techniken.

Seit mehreren Jahren experimentiert die LLNL/UC-Berkeley-VAM-Kollaboration mit verschiedenen Harzen und Materialien zur Erstellung komplexer Objekte. Der jüngste Fortschritt stammt aus einer Studie mit UC Berkeley zur Entdeckung neuer Klassen vielseitiger Materialien, die die Palette der durch VAM erreichbaren Chemien und Materialeigenschaften erweitern könnten.

Laut den Forschern könnte VAM-gedrucktes Glas massive Glaseinrichtungen mit mikroskopischen Merkmalen beeinflussen, optische Komponenten mit mehr geometrischer Freiheit und höheren Geschwindigkeiten produzieren und potenziell neue Funktionen oder kostengünstigere Produkte ermöglichen.

Reale Anwendungen

Anwendungen umfassen Mikrooptiken in High-End-Kameras, Unterhaltungselektronik, biomedizinische Bildgebung, chemische Sensoren, VR-Headsets, fortschrittliche Mikroskope und Mikrofluidik mit anspruchsvollen 3D-Geometrien wie „Lab-on-a-Chip“-Anwendungen (wo mikroskopische Kanäle für medizinische Diagnostik benötigt werden), Grundlagenforschung, Nanomaterialherstellung und Drug Screening.